(57)【要約】【課題】  排気ガス温度が低温であっても、運転領域全体で、酸素マイナスイオンによりＰＭを安定的に連続酸化できる、特に、酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した高性能なＰＭの低温連続酸化装置を実現すること。【解決手段】  内燃機関１の排気部で、ＰＭの酸化を酸素マイナスイオンにより促進するＰＭ酸化装置において、酸素マイナスイオン発生装置２の酸素マイナスイオン放出部２AがＤＰＦ３の排気上流側直前の排気管４に連結される。また, 排気管４に放出される酸素マイナスイオンは、その必要量が発生ＰＭ量に基づいて決定され、必要酸素マイナスイオン量をアルミナセメント構成材５の温度及び印加電圧を制御することにより発生させることを特徴とする。【選択図】      図１
2006188988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気部で、カーボンを主とする粒子状物質の酸化を酸素マイナスイオンにより促進する粒子状物質酸化装置において、酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部が排気管に連結されていることを特徴とする粒子状物質の低温連続酸化装置。
【請求項２】
上記排気管は、デイ―ゼルパテイキュレートフィルターの排気上流側直前の排気管であることを特徴とする請求項１に記載の粒子状物質の低温連続酸化装置。
【請求項３】
上記酸素マイナスイオン発生装置は、容器と、少なくとも一部が上記容器の中に配設されてその外部表面が酸素マイナスイオン発生部となるアルミナセメント構成材と、上記アルミナセメント構成材を加熱するヒーターと、上記アルミナセメント構成材の内部表面の少なくとも一部に形成された酸素供給電極と、上記酸素供給電極に供給される少なくとも酸素ガスを含むガスと、上記酸素マイナスイオン発生部と離隔して上記容器内に設置された酸素マイナスイオン引き出し電極と、上記酸素マイナスイオン引き出し電極に酸素供給電極よりも高い電圧を印加し得る電源とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子状物質の低温連続酸化装置。
【請求項４】
上記酸素マイナスイオン発生装置は、発生粒子状物質量検出手段を備え、かつ、発生粒子状物質量が一定量以上の場合は上記電源及び上記ヒーターの駆動スイッチをオンにし、一定量以上でない場合は上記各駆動スイッチをオフに制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の粒子状物質の低温連続酸化装置。
【請求項５】
上記酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部から排気管に放出される酸素マイナスイオンは、上記発生粒子状物質量に基づいて決定される必要酸素マイナスイオン量であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の粒子状物質の低温連続酸化装置。
【請求項６】
上記必要酸素マイナスイオン量は、上記アルミナセメント構成材の温度及び上記印加電圧を制御することにより発生させることを特徴とする請求項５に記載の粒子状物質の低温連続酸化装置。
【請求項７】
上記発生粒子状物質量は、少なくとも内燃機関回転数と燃料噴射量が含まれるエンジン動作状態検出データに基づいて計算されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の粒子状物質の低温連続酸化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれるカーボンを主とする粒子状物質（以下、「ＰＭ」という。）を、運転領域全体で、低温であっても、連続して酸化できるＰＭの低温酸化装置に関し、特に、酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用したＰＭの低温連続酸化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気に含まれるＰＭの処理が大きな課題となっている。従来技術として、特許文献１があり、ＰＭを帯電させる帯電手段と、帯電手段により帯電されたＰＭを捕集する捕集装置と、捕集装置により捕集されたＰＭを燃焼する燃焼装置とを備え、同燃焼装置には酸素マイナスイオンを生成する物質であるアルミナセメントが担持され、同燃焼装置には高電圧印加装置を組み込んだことを特徴とする排気浄化装置に関する技術が提示されている。同装置によれば、燃焼装置に高電圧を印加することにより、放電の熱を利用してＰＭを燃焼させ、かつ、放電によりアルミナセメントを６００°Ｃ以上に暖めると共に酸素マイナスイオンを生成し、酸素マイナスイオンと捕集されたＰＭとの酸化反応が的確に促進されることとなる。
【０００３】
しかしながら、上記技術では、排気中に直接高電圧印加装置を配置することとなるため、６００°Ｃ以上の高温状態であること、振動が大きいことなどにより、装置全体としての安全性・信頼性の確保に問題があり、また、フィルター全体にアルミナセメントを担持させる必要があり、その結果、フィルター全体を酸素マイナスイオン発生条件で満たさねばならず、必要エネルギーが極めて大きなものとなるという問題がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４―１９０５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来技術が有する欠点を改良しようとするものであり、排気中に直接高電圧印加装置を配置せず、また、フィルターにアルミナセメントを担持させる方法を採用せずに、排気ガス温度が低温であっても、運転領域全体で、酸素マイナスイオンによりＰＭを安定的に連続して酸化できる、特に酸素マイナスイオンの強力な酸化反応力を利用した高性能なＰＭの低温連続酸化装置を実現することを課題とするものである。また、運転状態により時々刻々と変化するＰＭの発生量を考慮した必要十分な量の酸素マイナスイオンを安定的に発生させることができるＰＭの低温連続酸化装置の実現に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１のＰＭの低温連続酸化装置は、内燃機関の排気部で、ＰＭの酸化を酸素マイナスイオンにより促進するＰＭ酸化装置において、酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部が排気管に連結されていることを特徴とするものである。
【０００７】
一般に、O-、O2-、O2-、O3-、On-で定義される酸素マイナスイオンは、酸素分子に比べて約一万倍の酸化能力を持っていることが知られている。そのため、排気ガス温度が低い状態であっても、排気ガス中に含まれるＰＭを連続して酸化することが可能である。従って、上記ＰＭの低温連続酸化装置においては、このような構成であるから、排気中に直接高電圧印加装置等を配置することなく、また、フィルターにアルミナセメントを担持させる方法を採用せずに、排気ガス温度が低温であっても、運転領域全体で、酸素マイナスイオンによりＰＭを連続して酸化できるという効果を有するものである。
【０００８】
請求項２の発明のように、好ましくは、上記排気管は、デイ―ゼルパテイキュレートフィルター（以下、「ＤＰＦ」という。）の排気上流側直前の排気管であることを特徴とする。
【０００９】
このように構成することにより、特に暖気運転中などのＰＭが大量に排出される場合に、ＤＰＦの手前でＰＭを連続的に酸化燃焼することができ、フィルターに大量のＰＭが溜まることを防ぎ、フィルターの圧力損失上昇を抑制することができる。
【００１０】
請求項３の発明のように、上記酸素マイナスイオン発生装置は、容器と、少なくとも一部が上記容器の中に配設されてその外部表面が酸素マイナスイオン発生部となるアルミナセメント構成材と、上記アルミナセメント構成材を加熱するヒーターと、上記アルミナセメント構成材の内部表面の少なくとも一部に形成された酸素供給電極と、上記酸素供給電極に供給される少なくとも酸素ガスを含むガスと、上記酸素マイナスイオン発生部と離隔して上記容器内に設置された酸素マイナスイオン引き出し電極と、酸素マイナスイオン引き出し電極に酸素供給電極よりも高電圧を印加し得る電源とから構成される。
【００１１】
従来の酸素マイナスイオン発生装置は、高真空装置や放電のためのエネルギー源を必要とするため、装置が大型化しかつ消費電力が大きいなどの欠点があり、一方で、コンパクトな形式のものでは、生成される酸素マイナスイオン量が極めて少ないなどの欠点があったが、このように構成することにより、高真空装置や放電のためのエネルギー源を必要とせず、コンパクトな設備で、アルミナセメントから酸素マイナスイオンを安定的かつ連続的に生成することができる。その結果として、排気ガスが低温であっても、運転領域全体で、酸素マイナスイオンによりＰＭを安定的に連続して酸化できるという効果を有するものである。
【００１２】
請求項４の装置では、上記酸素マイナスイオン発生装置は、発生ＰＭ量検出手段を備え、かつ、発生ＰＭ量が一定以上の場合は上記電源及び上記ヒーターの駆動スイッチをオンにし、一定量以上でない場合は上記各駆動スイッチをオフに制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
このように構成することにより、ＰＭの発生量が少なくＤＰＦ機能のみでＰＭの処理が可能な場合は酸素マイナスイオンを発生させず、暖気運転中のようにＰＭの発生量が一定量以上である場合に酸素マイナスイオンを発生させることができ、結果として、無駄な酸素マイナスイオンの発生を防止し、無駄な消費電力の発生を抑制することができる。
【００１４】
請求項５の装置は、上記酸素マイナスイオン発生装置の酸素マイナスイオン放出部から排気管に放出される酸素マイナスイオンは、発生ＰＭ量に基づいて決定される必要酸素マイナスイオン量であることを特徴とするものである。
【００１５】
このように構成することにより、常に変化する発生ＰＭ量に対して必要十分な量の酸素マイナスイオンのみを発生させることができ、無駄になる酸素マイナスイオンの発生を防止し、結果として無駄な消費電力の発生を抑制することができる。
【００１６】
請求項６の発明のように、上記必要酸素マイナスイオン量は、上記アルミナセメント構成材の温度及び上記印加電圧を制御することにより発生させることを特徴とする。
【００１７】
実験によれば、アルミナセメントの温度がおおよそ６５０℃前後から酸素マイナスイオンの発生が始まり、７００℃から８００℃を越えるあたりまで直線的にその発生が増加していくことが判明しており、一方で、電界強度が３５Ｖ/ｃｍのときに酸素マイナスイオンの発生が始まり、１０００Ｖ/ｃｍから２０００Ｖ/ｃｍに掛けて直線的にその発生が増加していくことが判明している。従って、このように構成することにより、予め、酸素マイナスイオン発生量と上記アルミナセメント構成材の温度及び上記印加電圧との関連データマップを作成しておき、これらのデータに基づき上記温度及び印加電圧を的確に制御することにより、それぞれの必要酸素マイナスイオン量を確実に発生させることができるものである。
【００１８】
請求項７の発明のように、上記発生ＰＭ量は、少なくとも内燃機関回転数と燃料噴射量が含まれるエンジン動作状態検出データに基づいて計算されることを特徴とする。
【００１９】
一般に、発生ＰＭ量は、エンジン動作状態、特に、内燃機関回転数と燃料噴射量によって大きく変化する。従って、このように構成することにより、発生ＰＭ量の変化をより正確に計算することができる。その結果として、必要酸素マイナスイオン量の計算をより正確に行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、内燃機関系統の全体構成を示すとともに、内燃機関（エンジン）１からの排気管４の途中、具体的には、ＤＰＦ３の排気上流側直前の位置に、酸素マイナスイオン発生装置２の酸素マイナスイオン放出部２Aを連結した本発明に係るＰＭの低温連続酸化装置の全体図が示されている。
【００２１】
図２は、図１に示される酸素マイナスイオン発生装置２を拡大して示したものである。２は酸素マイナスイオン発生装置であって、酸素マイナスイオンを包蔵できるアルミナセメント構成体５と、アルミナセメント構成体５を保持する容器８と、アルミナセメント構成体５を加熱するヒーター９と、アルミナセメント構成体５の内部に設けられた酸素供給電極６と、この酸素供給電極６へ供給される少なくとも酸素ガスを含むガス１２と、アルミナセメント構成体５から酸素マイナスイオンを引き出すための引き出し電極１０と、引き出し電極１０に酸素供給電極６よりも高い電圧を印加し得る電源１１とから構成されるものである。
【００２２】
アルミナセメント構成体５は、図２に示すように、例えば、加圧成型した後に焼成することにより、一端を閉じた筒状体として構成し、その閉じた一端側が容器８内に配設されている。アルミナセメント構成体５の内表面には、少なくともその一部に酸素供給電極６が形成されており、後述するように、酸素供給電極６には少なくとも酸素ガスを含むガス１２が供給されると共に、電源１１から電子が供給される。酸素供給電極６は、例えば、アルミナセメント構成体５の内側に金属ペーストを塗布し、焼結することにより形成され、供給された酸素がアルミナセメントと反応できるように多孔質に形成されている。また、アルミナセメント構成体５の容器８内の閉じた一端側の外表面が酸素マイナスイオン発生部７となっている。さらに、アルミナセメント構成体５は、ヒーター９により6００℃以上に加熱され、図示されていないが、従来から使用されている適切な温度センサーを用いることによりアルミナセメントの温度を制御している。
【００２３】
容器８は、ステンレス、ガラスなどで作成され、内部の雰囲気は、真空に保持するか、不活性ガスのアルゴンなどが封入されるが、乾燥状態に保持することが好ましい。
【００２４】
引き出し電極１０は、図示されるように、酸素マイナスイオン発生部７から所定の距離ｄだけ離隔して配置される。また、引き出し電極１０は、ステンレス板などで作成され、その中心部に、発生した酸素マイナスイオンが通過できるように孔が設けられている。
【００２５】
電源１１は、アルミナセメントから酸素マイナスイオン１４を引き出すために、引き出し電極１０に対し、酸素供給電極６よりも高い電圧を印加する電源であって、直流、交流いずれでもよい。なお、１３は、電源をオン、オフするスイッチである。
【００２６】
次に、酸素マイナスイオンの発生方法について説明する。第一段階として、ヒーター９によりアルミナセメント構成体５を過熱し、６５０℃以上、例えば、７００〜８１０℃に加熱することが好ましい。第二段階として、電源１１により、引き出し電極１０と酸素供給電極６との間に、１００〜２５００Ｖの電圧を印加すると共に、酸素供給電極６に酸素ガスを含むガス１２を供給する。このため、酸素供給電極６から電子が供給され、アルミナセメント中に包蔵されているO-、O2-、O2-の各イオン間で電子のやり取りが生じ、所謂イオン伝導が生じる。この結果、酸素マイナスイオン発生部７から酸素マイナスイオン１４が発生して外部に放出され、引き出し電極１０の穴を通過することとなる。一方で、アルミナセメントに包蔵されている酸素マイナスイオンは、酸素マイナスイオン発生部７からの酸素マイナスイオン放出のため、その包蔵量が減少していくが、酸素ガスを含むガス１２が酸素供給電極６を経由してアルミナセメントに補給されて反応し減少分を補っていくこととなる。
【００２７】
図５は、酸素マイナスイオン発生量とアルミナセメントの温度との関係を示している。縦軸は電流密度、横軸は温度である。また、印加電圧は３７５Ｖである。アルミナセメント構成体５の温度がおおよそ６５０℃で酸素マイナスイオンが発生し始め、７００℃を越えたあたりから電流密度は直線的に増加し始めることが理解される。８１０℃において、酸素マイナスイオンの電流密度は０．２５μＡ/ｃｍ2である。
【００２８】
図６は、酸素マイナスイオン発生量と印加電圧との関係を示している。縦軸は電流密度、横軸は電界強度である。また、アルミナセメント構成体５の温度は８００℃である。電界強度が３５Ｖ/ｃｍで酸素マイナスイオンが発生し、１００Ｖ/ｃｍで０．１μＡ/ｃｍ2発生し、５００Ｖ/ｃｍ前後から電流密度は直線的に増加し始めることが理解される。さらに、１１００、１７００、２１３０Ｖ/ｃｍで、それぞれ、１、２、２．７μＡ/ｃｍ2発生している。
【００２９】
また、本発明に係る酸素マイナスイオン発生装置２による発生酸素マイナスイオンの電流密度は、従来例の個体電解質材料ＹＳＺ（安定化ジルコニア）による発生酸素マイナスイオンの電流密度と比べると、約２０００倍以上となっている。
【００３０】
ところで、本発明に係るＰＭの低温連続酸化装置は、ＤＰＦ３による従来からのＰＭの補足及び燃焼機能に加えて、ＰＭの一定量以上の発生時に、酸素マイナスイオンによる連続酸化機能を加えることを特徴とするものであり、このため、ＰＭの発生量が少なくＤＰＦ３機能のみで対応可能な場合は、酸素マイナスイオンを発生させる必要はない。一方で、発生するＰＭの量は、暖気運転から定常状態での運転までその発生量は様々に変化している。従って、常に大量の酸素マイナスイオンを高原状態で発生させることは極めて無駄なことであり、常に変化する発生ＰＭ量に対して必要十分な量の酸素マイナスイオンのみを発生させることが望ましい。そうすることにより、無駄となってしまう酸素マイナスイオンの発生を防止し、結果として無駄な消費電力の発生を抑制することとなる。
また、一般に、発生ＰＭ量は、エンジン動作状態、特に、内燃機関回転数と燃料噴射量によって大きく変化する。従って、これらのエンジン動作状態に関するデータを用いて発生ＰＭ量の変化をより正確に計算することができる。その結果として、必要酸素マイナスイオン量の計算をより正確に行うことができる。
【００３１】
一方で、図５,６の分析結果を整理すると、アルミナセメントの温度がおおよそ６５０℃前後から酸素マイナスイオンの発生が始まり、７００℃から８００℃を越えるあたりまで直線的にその発生が増加していき、また、電界強度が３５V/cmのときに酸素マイナスイオンの発生が始まり、１０００V/cmから２０００V/cmに掛けて直線的にその発生が増加していくことが明らかになった。
従って、予め、酸素マイナスイオン発生量と上記アルミナセメント構成材５の温度及び上記印加電圧との関連データを取得し、その関連マップを作成しておき、ECU（図示されていない）により上記アルミナセメント構成材５の温度及び印加電圧を的確に制御することにより、それぞれの必要酸素マイナスイオン量を確実に発生させることができるものである。
【００３２】
図３は、ECU（図示されていない）による酸素マイナスイオン発生装置２の運転制御に関するフローチャートであり、Ｓ１〜Ｓ６の各ステージ番号に沿って説明する。内燃機関（エンジン）１が始動すると同時に酸素マイナスイオン発生装置２が始動して、エンジン動作状態に関するデータのうち少なくともエンジンの回転数及び燃料噴射量に関するデータがエンジン系統で測定され、ECUには常時転送される（Ｓ１）。ECUではエンジン回転数及び燃料噴射量に基づき排気ガス中に含まれるＰＭの発生量を計算する（Ｓ２）。このようにして、ECUにおいては、常に時々刻々の排気ガス中に含まれるＰＭの発生量に関するデータが掌握されている。
【００３３】
次いで、ＰＭの量が一定量即ちＰＤＦ３のみで処理可能な量以上であるか以下であるかを判断し（Ｓ３）、一定量以下である即ちＤＰＦ３のみで対応できる場合には、電源１１のスイッチ１３およびヒーター９のスイッチ（図示されていない）はオフにされ、酸素マイナスイオンの生成は停止される（Ｓ６）。一方、一定量以上である場合には、電源１１のスイッチ１３およびヒーター９のスイッチはオンにされ、電圧の印加及びアルミナセメント構成体５の過熱が開始される。同時に、ECUには予め作成されたＰＭ量と必要酸素マイナスイオン量に関するマップが入力されており、ＰＭ量及び同マップに基づいて必要酸素マイナスイオン量が計算される（Ｓ４）。
【００３４】
さらに、ECUには、予め作成された必要酸素マイナスイオン量（酸素マイナスイオンの電流密度）とアルミナセメント構成体５の温度及び印加電圧（電界密度）に関するマップが入力されており、別途温度センサー（図示されていない）からECUに転送されているアルミナセメント構成体５の温度データ及び電源１１の回路中に設置された電流計、電圧計（それぞれ、図示されていない）からのデータとマップに基づいて、アルミナセメント構成体５の温度及び印加電圧の制御を行うことにより、必要酸素マイナスイオン量を確実に発生させる（Ｓ５）。
【００３５】
一方で、この間も、エンジン動作状態に関するデータに基づくＰＭ量の計算は継続されており、エンジンが定常運転状態に移行するなどによりＰＭの発生量が一定量以下と判断された場合（Ｓ３）には、電源１１のスイッチ１３及びヒーター９のスイッチをオフにして酸素マイナスイオンの発生を停止することとなる（Ｓ６）。
【００３６】
図４は、酸素マイナスイオンを使用した場合と使用しない場合の、排気ガス温度とＰＭの燃焼速度との関係を、実験データに基づいて示したイメージ図である。図４から明らかなように、酸素マイナスイオン不使用の場合は6００℃を越えたあたりからようやくＰＭの燃焼速度が速くなってくるが、酸素マイナスイオンを使用した場合には、低温時からＰＭの燃焼速度が早い状態が発生し、その後安定的に継続していることが解る。
【００３７】
このように、本発明は上記のような構成であるので、以下のとおりの効果を奏する。
一般に、O-、O2-、O2-、O3-、On-で定義される酸素マイナスイオンは、酸素分子に比べて約一万倍の酸化能力を持っていることが知られている。そのため、排気ガス温度が低い状態であっても、排気ガス中に含まれるＰＭを連続して酸化することが可能である。従って、本発明に係るＰＭの低温連続酸化装置においては、排気中に直接高電圧印加装置等を配置することなく、コンパクトな設備で、アルミナセメントから酸素マイナスイオンを安定的かつ連続的に生成することができるため、排気ガス温度が低温であっても、運転領域全体で、酸素マイナスイオンによりＰＭを連続して酸化することができる。
また、特に暖気運転中などのＰＭが大量に排出される場合にＤＰＦ３の手前でＰＭを連続的に酸化燃焼することができ、フィルターに大量のＰＭが溜まることを防ぎ、フィルターの圧力損失上昇を抑制することができる。
さらに、エンジン動作状態、特に、内燃機関回転数と燃料噴射量により常に発生ＰＭ量を計算することにより、従来からのＤＰＦ機能に酸素マイナスイオン機能を組み合わせた合理的な使用を実現することができ、また、アルミナセメント構成体５の温度及び印加電圧を的確に制御することにより、常に変化する発生ＰＭ量に対して必要十分な量の酸素マイナスイオンのみを発生させることができ、無駄となる酸素マイナスイオンの発生を防止し、結果として無駄な消費電力の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態におけるＰＭの連続低温酸化装置を組み込んだ内燃機関系統の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態における酸素マイナスイオン発生装置の全体構成図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるＰＭの連続低温酸化装置の酸素マイナスイオン発生装置に関する運転制御についてのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態におけるＰＭの燃焼速度と排気ガス温度の関係を示したイメージ図である。
【図５】本発明の実施の形態における酸素マイナスイオン発生量とアルミナセメントの温度との関係を示したイメージ図である。
【図６】本発明の他の実施の形態における酸素マイナスイオン発生量と印加電圧との関係を示したイメージ図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    エンジン
２    酸素マイナスイオン発生装置
２A    酸素マイナスイオン放出部
３    ＤＰＦ
４    排気管
５    アルミナセメント構成材
６    酸素供給電極
７    酸素マイナスイオン発生部
８    容器
９    ヒーター
１０    引き出し電極
１１    電源
１２    酸素ガスを含むガス
１３    スイッチ
１４    酸素マイナスイオン
【図１】
2006188988.tif 000003
【図２】
2006188988.tif 000004
【図３】
2006188988.tif 000005
【図４】
2006188988.tif 000006
【図５】
2006188988.tif 000007
【図６】
2006188988.tif 000008